Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Hệ thống mô phỏng vệ tinh nhở quan sát trái đất và ứng dụng

Hệ thống mô phỏng vệ tinh nhở quan sát trái đất và ứng dụng

I. Mở đầu

Tại Việt Nam, chiến lược Công nghệ Vũ trụ mà Thủ tướng Chính phủ  phê duyệt  năm 2006 đã dành sự quan tâm lớn cho việc nắm bắt và phát triển công nghệ vệ tinh nhỏ. Ngày 7/5/2013, vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất đầu tiên của Việt Nam mang tên VNREDSat-1 (Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster Monitoring System) đã được phóng thành công lên quỹ đạo. Cho đến nay, hệ thống VNREDSat-1 đã cung cấp hàng chục nghìn bức ảnh độ phân giải cao, phục vụ cho các Bộ, ngành và các tỉnh, thành phố cũng như hợp tác quốc tế trong việc quan sát và giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai.

Trong các hệ thống vệ tinh nhỏ nói chung và VNREDSat-1 nói riêng, hệ thống mô phỏng vệ tinh (Satellite Validation Bench - SVB) là một hệ thống mô phỏng hiện đại bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm chuyên dụng mô phỏng chính xác các phân hệ trên vệ tinh như điền khiển và xác định tư thế, điều khiển nhiệt, nguồn, phần mềm trên tinh. SVB đặc biệt hữu ích trong công tác nghiên cứu khoa học, thử nghiệm thử nghiệm các chức năng phần mềm trên vệ tinh. Hệ thống này bao gồm các thiết bị thật được sử dụng trên vệ tinh, kết hợp với các thiết bị mô phỏng tạo thành một hệ thống có khả năng xác định chính xác phản ứng của vệ tinh với mỗi điều kiện thiết lập. Do vậy, SVB cũng là đối tượng nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu về hệ thống mô phỏng SVB và ứng dụng của hệ thống mô phỏng SVB trong quá trình hoạt động của vệ tinh VNREDSat-1” nhằm làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất và tối ưu hóa quy trình vận hành vệ tinh VNREDSat-1.

II. Tổng quan về hệ thống mô phỏng vệ tinh SVB

SVB là một hệ thống mô phỏng vệ tinh hoàn thiện phục vụ mục đích nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm và kiểm chứng cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất. Đây là một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh bao gồm phần mềm bay thật của vệ tinh chạy trên một hệ thống phần cứng tương tự trên vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo. Một cách tổng quát, SVB là một hệ thống mô phỏng hoạt động và điều kiện môi trường gần như giống với thực tế của vệ tinh trên quỹ đạo. Các chức năng chính của hệ thống SVB gồm có:

Hình 1. Cấu trúc của hệ thống mô phỏng vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất

- Mô phỏng và kiểm chứng phần mềm bay của vệ tinh

- Mô phỏng và kiểm chức các chức năng của các phân hệ điều khiển, xác định tư thế, quỹ đạo và nguồn cấp cho vệ tinh

- Phục vụ các nhiệm vụ nghiên cứu khoa học.

Cầu trúc của hệ thống SVB được mô tả trong hình dưới đây:
 
Trong sơ đồ trên, hệ thống SVB bao gồm các cấu phần chính sau đây:

 Khối mô phỏng máy tính trên vệ tinh (On-board Computer - OBC): đây chính là khối mô phỏng máy tinh trên vệ tinh, bao gồm bo mạch vi xử lý trung tâm CPU, bo mạch xử lý lệnh và dữ liệu (Telemetry/Telecommand - TM/TC) và hai bo mạch giao tiếp I/O với các phân hệ khác.

 Khối mô phỏng thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh (payload): mô phỏng chức năng chụp ảnh của vệ tinh, khối này được giao tiếp với máy tính trung tâm OBC thông qua kết nối OS-Link.

 Máy trạm mô phỏng môi trường vũ trụ (máy trạm SUN Simulation): thực hiện chức năng mô phỏng môi trường vũ trụ và các khối chức năng của vệ tinh.

 Khối mô phỏng các giao tiếp điện giữa OBC và các thiết bị khác: bao gồm nhiều bo mạch mô phỏng kết nối điện (EVR).

 Khối mô phỏng hệ thống kết nối trên vệ tinh (HIC).

 Khối mô phỏng giao tiếp vệ tinh - mặt đất: thực hiện mô phỏng kết nối TM/TC (bao gồm cả thời gian trễ giữa vệ tinh và mặt đất).

 Mô phỏng các cảm biến nhiệt độ để cung cấp thông tin nhiệt cho OBC.

 Thiết bị đầu cuối TM/TC, bao gồm máy tính cá nhân và các bo mạch thu thập dữ liệu, mô phỏng các hoạt động của trạm điều khiển băng S.

 Máy tính giao tiếp người dùng (PC IHM): theo dõi quá trình mô phỏng cũng như gửi thêm các lệnh điều khiển quá trình mô phỏng.

Hình 2. Sơ đồ mô phỏng vòng kín trong hệ thống SVB

III. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SVB

Như đã trình bình ở mục trên, SVB là hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh, cho phép hoạt động mô phỏng vòng khép kín với các hoạt động của toàn hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất. Nguyên tắc của vòng mô phỏng kín này được mô tả tóm tắt như sau:

 Tương tác giữa các hoạt động của vệ tinh với môi trường bên ngoài cũng như các cảm biến và cơ cấu chấp hành, cho phép kiểm chứng các thuật toán xác định và điều khiển tư thế vệ tinh (Attitude and orbit control subsystem - AOCS) cụ thể là xử lý các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành từ dữ liệu đo được của các cảm biến (cảm biến sao, con quay hồi chuyển,…) trong điều kiện giống với thực tế.

 Tương tác giữa vệ tinh và trạm điều khiển mặt đất (thông qua kênh TM/TC), cho phép xác thực các quy trình và thao tác vận hành trong điều kiện giống với thực tế: sử dụng các lệnh TC thật, dữ liệu đo TM từ vệ tinh có dung lượng và định dạng giống như trong điều kiện thật.

Sơ đồ mô phỏng kín được thể hiện trong hình sau đây:

Các bộ phận quan trọng trong sơ đồ trên gồm có,  
 Các thiết bị thực gồm có:

 Phần mềm bay (FSW) và máy tính trung tâm (OBC) giống với trên vệ tinh, cho phép kiểm chứng các phản ứng của vệ tinh với các điều kiện khác nhau mà người sử dụng muốn kiểm tra.

 Phân hệ điều khiển vệ tinh (Satellite Control       Terminal - SCT) được sử dụng để giao tiếp/điều khiển vệ tinh mô phỏng bởi SVB trong điều kiện như thực tế.

 Các thiết bị mô phỏng lại trên vệ tinh gồm có:

 Các cảm biến xác định tư thế vệ tinh (cảm biến mặt trời, cảm biến từ trường, con quay hồi chuyển, cảm biến sao), các cơ cấu chấp hành (thanh từ lực, bánh xe động lượng, hệ thống ống phụt và nhiên liệu), hệ thống điện (tấm pin mặt trời, acquy, khối điều khiển điện PCDU), khối giao tiếp tín hiệu cao tần RF (bộ thu phát tín hiệu băng S, bộ phát dữ liệu payload-TMHD),      payload, thiết bị thu GPS, hệ thống điều khiển nhiệt (cảm biến nhiệt, thiết bị sưởi),…

 Khối mô phỏng động lực học vệ tinh (cho ra kết quả từ các cơ cấu chấp hành và các nhiễu bên ngoài).

 Mô phỏng quĩ đạo và môi trường vũ trụ (khối Orbit and environment): mô phỏng chuyển động của vệ tinh xung quanh Trái đất, trường điện từ, ánh sáng mặt trời, nhiễu bên ngoài như lực trượt khí quyển hay áp lực chiếu sáng mặt trời, tầm nhìn của trạm mặt đất, …

 Các giao tiếp điện tử bao gồm tất cả các linh kiện bên trong hệ thống SVB đảm bảo giao tiếp giữa phần cứng thật và các mô hình mô phỏng (các bo mạch EVR, HIC, thiết bị đầu cuối TM/TC …)
Như vậy, mỗi chu trình mô phỏng trên hệ thống SVB bao gồm 2 quá trình lớn chạy song song đồng thời như sau:

 Mô phỏng các phản ứng tự động của vệ tinh trên quĩ đạo, bao gồm cả tương tác giữa môi trường và các thuật toán điều khiển trên vệ tinh (hay phần mềm bay). Toàn bộ quá trình này được điều khiển bởi SVB.

 Quá trình điều khiển SCT: có nhiệm vụ thu dữ liệu trạng thái TM và gửi các lệnh điều khiển TC. Quá trình này thể hiện tương tác giữa SVB – vệ tinh mô phỏng và trạm mặt đất, thể hiện những phản ứng của vệ tinh đối với phân hệ điều khiển vệ tinh dưới mặt đất.

Tóm lại, SVB là một hệ thống mô phỏng vệ tinh hoàn chỉnh và tin cậy, hoàn toàn có khả năng hỗ trợ nghiên cứu công nghệ vệ tinh cũng như thử nghiệm các chức năng, kiểm chứng các thao tác với kết quả rất sát với thực tế. Đây cũng là một hệ thống không thể thiếu được trong quá trình sản xuất, triển khai cũng như vận hành và khai thác các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất.

Hình 3. Chu trình chuẩn bị mô phỏng

IV. Ứng dụng hệ thống mô phỏng SVB

Mục này trình bày quá trình ứng dụng SVB để mô phỏng hoạt động của một quả vệ tinh quan sát Trái đất.

a. Chuẩn bị mô phỏng
Danh sách kiểm tra sau đây tóm tắt các bước để chuẩn bị mô phỏng, và đưa ra các quy trình tương ứng:

Trong đó, “Test Composite” bao gồm tất cả dữ liệu cần thiết để bắt đầu mô phỏng, các dữ liệu này được chia thành 2 loại:
- “Parameters” là các giá trị được duy trì trong suốt quá trình mô phỏng,
- “Variables” là các giá trị có thể thay đổi trong quá trình mô phỏng.

b. Các tham số đầu vào mô phỏng
Các tham số đầu vào gồm có.
patch_param:
- in model “EnvOrbital”:    fTabActSS = 1 ; 1
 patch_var:
- in model “BAT”: DODInit = 5
- in model “IFBS”: EtatConnexionTM = Deconnecte
        EtatConnexionTC = Deconnecte
        EtatVisibilite = SansVisibilite
        Etat = etModeAutonome
Các tham số quỹ đạo của vệ tinh như sau:

c. Quá trình mô phỏng
Hệ thống SVB cung cấp khả năng tương tác với chương trình mô phỏng trong quá trình diễn ra mô phỏng thông qua các thiết bị giám sát. Có 2 loại thiết bị giám sát SVB khác nhau:
 Thiết bị giám sát nhanh được điều hành bởi quá trình “PE” (được gọi là “PINTPE”), cùng với các mô hình SVB ở tần số lấy mẫu cao nhất (trong “thời gian thực”): do đó yêu cầu phải đơn giản và nhanh chóng (ví dụ, không có quyền truy cập vào dữ liệu nội bộ của FSW). Thiết bị này chủ yếu được dành riêng cho các hoạt động được lập trình trước đó trong một thời gian rất ngắn.
 Thiệt bị giám sát chậm được điều hành bởi một quá trình ưu tiên mức cao / thấp hơn (gọi là “CdTRT”, tại tần số lấy mẫu 4 Hz)

d. Kết quả mô phỏng
Sau khi mô phỏng đã được khởi động thành công, ta có thể bắt đầu quan sát trạng thái vệ tinh thông qua phần mềm vận hành trạm mặt đất. Hình dưới đây trích dẫn một cửa sổ theo dõi trạng thái điển hình trên màn hình điều khiển, thể hiện chế độ hoạt động đầu tiên của vệ tinh MACQ (chế độ bắt Vệ tinh) với chế độ điều khiển tư thế MAS (chế độ bắt Mặt trời và An toàn).
Mục tiêu của chế độ này là làm giảm vận tốc góc của vệ tinh sau khi tách khỏi tên lửa phóng và thực hiện tư thế trỏ hướng Mặt trời. Hình dưới đây trích dẫn đồ thị biểu diễn các tham số sử dụng trong đánh giá hiệu năng điều khiển tư thế của chế độ MAS. Đoạn trích thể hiện tham số vệ tinh sau khi vận hành được 8.620 giây, với tham số vận tốc góc hội tụ dưới 0.03 độ/giây và góc tới Mặt Trời nhỏ hơn 10 độ.


Hình 4. Các tham số tư thế của chế độ MAS

Hình dưới đây biểu diễn trích đoạn bộ nhớ kế hoạch làm việc của vệ tinh. SVB được trang bị một CPU chuyên dụng để giả lập các hoạt động của tải chính, cho phép người vận hành thử nghiệm các kế hoạch hoạt động chụp ảnh của vệ tinh.

Hình 5. Giá trị bộ nhớ lưu kế hoạch làm việc của vệ tinh

 

Hình 6. Hoạt động của bánh xe động lượng

Hình dưới đây thể hiện hoạt động của cụm 4 bánh xe phản ứng trong một lần chụp ảnh. Một lần chuyển động chụp ảnh của cụm bánh xe được chia thành 3 pha : pha tăng tốc, pha ổn định và pha giảm tốc. (hình 6)
Như vậy, có thể thấy rằng hệ thống SVB có khả năng mô phỏng hoạt động của vệ tinh một cách chính xác, góp phần vào theo dõi và đánh giá các tham số thiết kế của hệ thống vệ tinh.
Ngoài ra, sau khi vệ tinh được phóng lên quỹ đạo, hệ thống SVB còn đóng góp vào quá trình đào tạo đội ngũ kỹ sư vận hành hệ thống, cụ thể là kiểm tra, thử nghiệm và đánh giá các quy trình vận hành, khắc phục và xử lý sự cố.

V. KẾT LUẬN

Hệ thống mô phỏng SVB đã đóng góp rất nhiều vào công tác nghiên cứu công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất, cụ thể là các hướng nghiên cứu liên quan đến phần mềm vệ tinh, xác định và điều khiển tư thế và quỹ đạo,... Ngoài ra, hệ thống này cũng góp phần vào thử nghiệm, kiểm chứng các thao tác vận hành và điều khiển vệ tinh, đóng góp không nhỏ vào tăng tính hiệu quả của khai thác hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất nói chung và hệ thống VNREDSat-1 nói riêng.

Kết quả của đề tài “Nghiên cứu về hệ thống mô phỏng SVB và ứng dụng của hệ thống mô phỏng SVB trong quá trình hoạt động của vệ tinh VNREDSat-1”, đã và đang được ứng dụng trực tiếp trong công tác nghiên cứu khoa học tại Viện Công nghệ vũ trụ và đặc biệt góp phần đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong quá trình khai thác hệ thống VNREDSat-1, tiến tới việc làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất.q
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]    Trần Mạnh Tuấn, Công nghệ vệ tinh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2007    
[2]  Christopher D. Hall.  Spacecraft Attitude Dynamic and Conntrol. Christ Hall, 2003.
[3] Spacecraft Dynamics and Control using the Spacecraft  Control Toolbox. Princeton Satellite Systems Inc.
[4]  William E. Wiesel,  Spaceflight dynamics, Mc GrawHill, 1997.

Bùi Trọng Tuyên, Phạm Minh Tuấn, Ngô Duy Tân, Trương Tuấn Anh1, Nguyễn Phương Nam, Phạm Ngọc Minh2
Viện Công nghệ vũ trụ, 2Viện Công nghệ thông tin
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội  |  
Email: Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 






 


 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết